Революционная фотонная технология обеспечивает работу ускорителя ИИ нового поколения

Инновационная система ускорения искусственного интеллекта, основанная на кремниевой фотонике, обещает улучшенную масштабируемость и более низкое энергопотребление по сравнению с существующими аппаратными решениями.

Искусственный интеллект, развивающийся благодаря глубокому обучению и постоянно растущим объемам данных, преобразил множество отраслей. Однако обучение ИИ требует значительных вычислительных ресурсов, что сопровождается высоким энергопотреблением. На сегодняшний день основой для задач ИИ служат графические процессоры (GPU), но их ограниченная эффективность становится все более ощутимой проблемой.

Согласно недавней публикации в журнале IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics, исследователи создали новую систему ускорения ИИ, использующую фотонные интегральные схемы (PIC), которая представляет собой перспективную альтернативу системам на базе GPU. Эти PIC, использующие соединения III-V группы полупроводников, предоставляют мощную платформу для более эффективной работы с ИИ-задачами. В отличие от электронных нейросетей, основанных на передаче данных с помощью электрического тока, оптический подход использует свет для вычислений, обеспечивая снижение потерь энергии и сверхвысокую скорость операций.

Один из ведущих учёных отметил, что хотя фотоника на основе кремния проста в производстве, её масштабирование для более сложных интегральных схем сопряжено с трудностями. Однако новая система включает в себя базовые компоненты, способные обеспечить улучшенную масштабируемость и энергетическую эффективность, превосходящую современные передовые решения.

Исследователи применили гибридную производственную технологию, сочетая кремниевую фотонику с материалами III-V группы. Такое объединение позволяет интегрировать ключевые элементы, такие как лазеры и усилители, непосредственно на чип, что способствует масштабируемости и снижению оптических потерь.

Процесс начинался с подложек на кремнии с изолятором, содержащих 400-нм слой кремния. Путём последовательных этапов литографии, травления и легирования были сформированы устройства, такие как МОП-конденсаторы и лавинные фотодиоды (APD). Слои кремния и германия были избирательно выращены для создания основных слоёв APD. С использованием метода склеивания кристаллов на подложке, материалы III-V группы, такие как фосфид индия или арсенид галлия, были интегрированы на кремниевую основу. Для повышения эффективности был добавлен оксидный слой затвора из оксида алюминия или оксида гафния, а затем — диэлектрический слой для обеспечения термостойкости и полной инкапсуляции устройства.

Эта передовая платформа позволяет интегрировать все необходимые компоненты для создания оптической нейросети на одном чипе. В их число входят лазеры, усилители, сверхбыстрые детекторы, энергоэффективные модуляторы и фазовращатели, сохраняющие свои настройки без подачи питания. Такой уровень интеграции открывает огромные перспективы для будущих дата-центров, стремящихся удовлетворять растущие потребности ИИ при одновременной экономии энергии.

Благодаря своему потенциалу в решении ключевых проблем, связанных с энергопотреблением и производительностью, эта фотонная система ИИ представляет собой значительный шаг к созданию более устойчивой и высокоэффективной инфраструктуры ИИ.